中压交流驱动器:附录和应用

米中压(MV)交流驱动器在电压和功率水平上超越了更熟悉的低压(LV)驱动器的能力。这些较大的MV驱动器-额定功率为100兆瓦，并超过了可调速操作的好处，以大型交流电机。他们提供的另一个好处是软启动这样的大型，昂贵的电机(见下面的应用部分)。与此同时，中压驱动器开始摆脱“高度工程化产品”的形象，采用现代设计方法和低压表兄弟的模块化控制结构。有关适用电压范围，功率开关器件，可用产品和其他中压驱动优点的讨论，请参阅主文章。

其他制造商评论

罗克韦尔自动化加拿大公司(Cambridge, Ontario, Canada)专注于提高中压变频器的可靠性、易用性和总拥有成本。中压业务和加拿大业务副总裁兼总经理Chris Jouppi表示，这是用户受益的三个主要来源。Rockwell新型PowerFlex 7000驱动器通过软件轻松设置的一个例子是“启动向导”，它与在订购时输入驱动器软件的系统信息相结合。

Jouppi先生还提到了中压驱动器在启动大型电机中的有用作用。这是一个好处，特别是在电力供应系统薄弱的发展中国家。

宾夕法尼亚州新肯辛顿市的Robicon公司认为，最近的油价上涨再次提醒工业用户节约能源的重要性。中压变频器是节能的重要工具。在发展中国家，工业化的速度超过了电力的增长。因此，它们必须在大规模工业应用中节约能源，”该公司技术副总裁理查德•奥斯曼(Richard Osman)说。

由于输出功率的质量，Robicon声称其中压驱动器可以与任何制造商的交流电机(感应或同步)一起使用，包括旧电机的改造。除了对IGBT(绝缘栅双极晶体管)与IGCT(集成栅整流晶闸管)功率开关器件的相对优点发表评论外，奥斯曼还补充说，IGCT开闸如此之快，以至于在短路时难以保护，而且难以与自由旋转二极管一起使用。二极管是驱动器中非常必要的组件，在晶体管的关断阶段为能量流动提供平行路径。一个更渐进的关闭与IGBT给自由旋转二极管一个恢复的机会。此外，IGCT的栅极驱动电路要比IGBT复杂得多，功耗也大得多。

Robicon与Yaskawa Electric Corp. (Kitakyushu, Japan)在中压驱动技术方面建立了持续的战略合作伙伴关系。该合作关系涉及在日本和其他亚太市场独家转售完美和谐系列中压变频器，并集成到安川电气全球系统中。

通用电气工业系统公司(GE Industrial Systems)注意到新工厂中低压和中压变频器之间的竞争。中压产品工程师Paul Bixel说:“一些客户在大功率应用中选择中压驱动器而不是低压驱动器，以减少布线和设备成本。”“在改造的情况下，可能需要与现有的电缆和电机连接，或者将输出谐波控制到非常低的水平。”

中压驱动器有风冷和水冷两种版本。通用电气的创新系列中压驱动器，在风冷版本中，采用“热管”技术来有效冷却功率开关igbt (CE， 1997年6月，第24-25页)。从历史上看，水冷却更复杂，成本更高，需要更多的维护。

ABB(威斯康星州新柏林;Turgi(瑞士)将广泛的工厂测试纳入其开发周期，以减少这些驱动器的现场测试和调试时间。这包括在ABB制造工厂的全负荷测试。大多数中压驱动器与各种电机类型一起工作。ABB ACS 1000是专为中压感应电机设计的，但也适用于绕线转子电机的调速控制。大多数制造商包括感应，绕线转子，和同步交流电机在中压驱动控制。

设计改进也在起作用，以改变水冷中压驱动器的复杂形象。例如，简单的可维护性和维修引起了设计师对ABB ACS 1000水冷驱动的注意(见主文章中的照片)。

西门子(德国埃尔兰根)认为改造市场——单速控制向可调速转变——是中压变频器的主要领域。更高的运行效率和更少的维护是这种升级的典型目标。西门子能源与自动化公司(Alpharetta, Ga.)大型驱动器市场经理杰夫·梅森(Jeff Mason)指出，这些设备的大尺寸和功率与高产量增长不兼容。他说，虽然中压驱动器的成本比10年前低了很多，但它们在今天仍然是一笔可观的成本。新的，更高效率的中压电机完成了这一画面。在700-800马力(525-600千瓦)范围内的单位是常见的。电机尺寸正在缩小，在2.3 kV的NEMA框架尺寸下，可提供200-300马力的电机。不过，梅森说，这么小的电机还没有被认为具有成本竞争力。

高压igbt增加了选择

绝缘栅双极晶体管无疑是当今低压交流驱动的电源开关选择。igbt在生产批量中的普及和可用性对中压驱动器也是有吸引力的。但直到最近，由于这些器件的电压处理限制，在中压驱动器中使用标准igbt意味着更复杂的设计。igbt必须串联或组接以获得所需的电压输出。其中一个设备缺少直接中压能力。

最近的一些事态发展可能会改变这一点。1999年7月，Powerex(宾夕法尼亚州Youngwood)宣布了其用于2.3 kV交流线路的新系列4500伏hv - igbt，包括中压驱动器。

Powerex成立于1986年，由通用电气公司的功率半导体部门和西屋电气公司合并而成，这两家公司是功率半导体行业的先驱公司。1994年，西屋电气将其所有权股份出售给了通用电气和日本的三菱电气。Powerex现在由这两家公司共同拥有。

Powerex是全球领先的分立和模块化高功率半导体供应商。它拥有芯片设计/工程和晶圆生产设施，以及三菱电机先进的电路和芯片设计能力。Powerex专门从事半导体芯片的多元素封装(参见CE， 1998年4月，第91-101页)。

大约在同一时间——实际上是在1999年6月——欧洲石油有限公司(eupec GmbH)”(Warstein，德国)通过宣布其6千伏igbt进一步提升了igbt的地位。eupec表示，这些功率器件代表了目前igbt可用的最高阻断电压。它们适用于经历大电压波动和过载条件的严格工业和牵引应用。新的6.5 kV IGBT模块基于NPT(非穿孔)标准，具有坚固性和更低的传导损耗。它们将配置为单开关拓扑结构，具有三种封装宽度(73/140/190 x 130 mm)，范围从100到600安培。

英飞凌科技旗下的欧派克公司刚刚庆祝了成立10周年。1999年4月更名为西门子半导体，这也代表了公司形象的改变，更具创业精神。它赋予了公司创造性和财务独立性，使其能够更快、更有效地做出决策，并对市场波动做出更快的反应。该公司的子公司eupec Inc.(黎巴嫩，新泽西州)向北美市场销售各种功率半导体。

虽然现在下结论可能有点早，但新型hv - igbt可以对中压驱动器以及其他中压应用产生重大影响。更高电压处理能力的进步还将继续。

应用程序

中压驱动也许是最著名的应用，如大型泵和风扇在发电厂。风洞中的巨型风扇系统也是由中压驱动驱动的。西门子将压缩机，挤出机和输送系统添加到水等行业的中压驱动应用列表中;废水;石油化工;钢铁、水泥、造纸生产;还有机器和造船。GE工业系统还提到了在钢铁制造中的大负荷应用，特别是主要用于热轧和冷轧钢的驱动器。以下是来自世界各地的一些具体中压变频器应用的总结。

位于瑞士卢塞恩附近的Kraftwerke Zervreila水力发电站通过将水抽回水库来补充高峰时段的供水。该站使用两台3.5兆瓦(4700马力)的同步电机为水泵提供动力，从下面山谷的一个湖中取水。然而，当大型电机启动时，企业和住宅客户经历了长达10秒的线路电压下降高达20%。

罗克韦尔自动化公司(Milwaukee, wisconsin)的一款18脉冲毫伏变频器正在帮助解决当地公用事业公司产生的严重电压下降问题。公告1557 MV驱动器提供了几个值得注意的好处。它提供降低电压(软)电机启动，以减轻电压下降，但提供所需的高启动扭矩。它还提供电机控制和同步传输功能，让公用事业公司继续使用现有的泵电机，只有一个驱动器启动它们。当每个电机达到满载和全速时，驱动器的同步传输功能将其同步到Kraftwerke Zervreila的输入线路频率。中压驱动器也被证明是一种具有成本效益的解决方案，因为它可以根据启动时电机所看到的负载进行调整，而不是根据电机的全部功率进行调整。

罗克韦尔自动化加拿大公司(Rockwell Automation Canada)营销传播经理拉尔夫•m•帕林(Ralph M. Paling)说，据说驱动器的输出波形很平滑，对电机产生的压力很小，而来自18脉冲整流器的输入波形“几乎消除了线侧谐波”。“驱动器的18脉冲整流器提供了进一步的节省，因为不需要额外的谐波缓解装置来满足瑞士严格的谐波指导方针，”他补充说。

挖掘机会

Minera Escondida铜矿位于智利阿塔卡马高原沙漠，海拔3150米(10335英尺)，是世界上最恶劣的环境之一。该露天矿占地5000公顷(12,355英亩)，距离Antofagasta最近的公用事业发电机以东200公里(距离首都圣地亚哥1500公里)，由于电线较长，该露天矿受到高阻抗电力供应的困扰。然而，为了运输和处理大量矿石，该矿大量使用电力。铜矿作为固体材料在输送机上运输，通过泵以泥浆形式运输。一年364天的全天候运行进一步增加了设备可用性的压力。

任何可调速驱动器解决方案都必须提供电能质量(功率因数校正接近统一)，最大限度地减少复杂设备和仪器上的谐波干扰(即使在如此偏远的地点也越来越多地部署)，并与现有电机兼容。

1996年，Minera Escondida安装了3台675千瓦、4.16千伏的矿浆泵，将悬浮在水中的铜矿从再磨机输送到再磨旋风机。Robicon提供了完美和谐MV驱动器，为旋风泵提供动力。经验表明，中压变频器可满足上述要求。根据Robicon的Osman先生的说法，自1997年1月安装以来，中压驱动器已经占了超过15,000小时的服务，只有两次故障。

由于旋流泵的转速控制良好，中压变频器的潜在效益体现在铜矿的工艺改进上。奥斯曼解释说，最初的直接在线恒速泵操作不能提供合适的铜矿石研磨质量。从旋风分离器中适当分离细颗粒对于有效分离矿石至关重要。

Robicon提到了其MV驱动器的另外两个应用。这些都是在美国的应用，涉及恒扭矩输出。一种是螺旋输送机，在电机和600马力(450千瓦)、4.16千伏MV驱动器之间有1000英尺(305米)的电缆;另一个应用于两个300千瓦，4.16千伏的驱动器，操作炼钢厂的帕脱石窑

露天矿同样是西门子主动前端(AFE) Simovert中压变频器的应用场所。该装置位于Laubag褐煤煤矿(Welzow, Germany)，是Simovert MV在带式输送机操作中的首次安装，涉及四个MV驱动器，每个驱动器产生2,000千瓦。矿井的电网分散在一个大的区域，容易使其不稳定，并且必须解决驱动系统可能产生的线路电抗问题。

中压驱动的目标包括消除对谐波滤波器和其他补偿设备的需求。西门子表示，AFE技术能够最大限度地减少谐波，从而完成这项工作。在Simovert MV中，驱动器的输入(线侧)和输出(负载侧)部分具有相同的结构，igbt作为功率开关器件。参见主要文章更多关于西门子中压变频器与AFE技术。

此应用中涉及的电机类型有用于带式输送机调速的感应电机和运行上下皮带轮的交流绕线转子电机。中压驱动系统已成功集成到现有的工厂，并于1999年9月开始运行。

随着新的发展和技术不断流入中压交流驱动器，它们的市场和应用肯定会扩大。

评论?电子邮件fbartos@cahners.com

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?您应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得您和您的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。